液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展研究

鄭大勇，顏 勇，孫紀(jì)國

0 引 言

重復(fù)天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)能夠快速穿越大氣層往返于天地間或能在外層空間軌道間機(jī)動(dòng)飛行、按需返回地面并可重復(fù)使用的航天運(yùn)輸系統(tǒng)，其液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相對成熟，已成功應(yīng)用于一次性運(yùn)載火箭和部分重復(fù)使用的航天飛機(jī)上。采用液體火箭動(dòng)力構(gòu)建的重復(fù)使用天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)，是目前較為現(xiàn)實(shí)的發(fā)展目標(biāo)[1,2]。在重復(fù)使用液體火箭動(dòng)力技術(shù)方面，各國主要開展了液氧煤油、液氧液氫和液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究。液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)具有成本低、可重復(fù)使用、維護(hù)方便等特點(diǎn)，近年來逐漸成為各國重復(fù)使用運(yùn)載器液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究的重點(diǎn)。

1 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢

表1 常用液體推進(jìn)劑基本物理特性Tab.1 Fundamental Physical Characteristic of Common Liquid Propellant

續(xù)表1

1.1 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)多次重復(fù)使用性能

重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具備多次重復(fù)使用的能力，應(yīng)保證在各種使用條件下壽命長，具備幾十次甚至上百次的工作能力。

推力室是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要核心組件之一。推力室內(nèi)壁裂紋破壞成為限制推力室壽命的主要因素，低周疲勞和高溫蠕變是造成燃燒室內(nèi)壁裂紋破壞的主要原因。烴類燃料中，甲烷比熱高、粘度小，冷卻推力室后為超臨界氣體，壓降小，沒有熱分解問題，非常適宜用作推力室再生冷卻劑[9]。歐洲對富燃循環(huán)的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)推力室工作壽命進(jìn)行了分析評估，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)推力室疲勞循環(huán)次數(shù)為46次，累計(jì)工作壽命為9200 s[10,11]；中國對60噸級液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻身部的壽命仿真評估可達(dá)50余次，累計(jì)時(shí)間近10 000 s；推力室縮尺件熱試驗(yàn)考核35次無異常；相比于同等室壓下的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)推力室內(nèi)壁4次試車即出現(xiàn)裂紋，60噸級液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)累計(jì)啟動(dòng)13次，2100余秒無裂紋。研究結(jié)果表明，無論是長時(shí)間工作，還是多次啟動(dòng)關(guān)機(jī)，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)推力室具有較高的壽命裕度，能夠達(dá)到長壽命、多次使用要求。60噸級液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)推力室縮尺件熱試驗(yàn)狀態(tài)如圖1所示。

圖1 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用推力室縮尺件試驗(yàn)Fig.1 LOX/Methane Subscale Thrust Chamber Testing

渦輪泵的能量密度用渦輪泵的功率與結(jié)構(gòu)質(zhì)量的比值表示，是決定渦輪泵工作壽命的主要因素之一。在相同的循環(huán)方案和推力情況下，甲烷渦輪泵的能量密度不到液氫渦輪泵的二分之一。國外研究結(jié)果表明，采用中等室壓的開式燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)方案，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的工作壽命近10 000 s，即使采用高室壓的補(bǔ)燃方案，渦輪泵的能量密度仍可保證發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用20次以上，工作壽命大于4000 s[12,13]。中國開展的渦輪泵核心零組件壽命研究結(jié)果也表明，渦輪泵軸承及動(dòng)密封等核心零組件的工作壽命已不低于80次；單臺渦輪泵經(jīng)過13次啟動(dòng)，總計(jì)2103 s發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)熱試車考核，渦輪泵軸承、密封軸套、浮動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)完好，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，重復(fù)性較好，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)長壽命、多次可重復(fù)使用要求。渦輪泵核心組件及臺架試驗(yàn)情況如圖2所示。

圖2 渦輪泵核心組件及臺架試驗(yàn)Fig.2 Core Component and Stand Test of Turbopump

1.2 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)性能

重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具有快速、高效的飛行后處理措施，能夠方便地清除剩余推進(jìn)劑，具備便捷有效的測試檢查手段，以保證后續(xù)飛行過程的安全。

甲烷和液氧的沸點(diǎn)分別為112 K和90 K，具有沸點(diǎn)低、容易蒸發(fā)的特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束后通過氮?dú)獯党纯蓪?nèi)腔推進(jìn)劑處理干凈，狀態(tài)恢復(fù)最短時(shí)間為1～2天，發(fā)動(dòng)機(jī)試后處理流程快速、高效。經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)換熱的甲烷蒸汽可以對貯箱進(jìn)行自生增壓，有利于簡化增壓輸送系統(tǒng)方案。采用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)載器進(jìn)行吹除、置換可以不用氦氣而采用氮?dú)?，有利于降低成本。甲烷不結(jié)焦、燃燒積碳少，重復(fù)使用時(shí)無需清洗，對發(fā)動(dòng)機(jī)多次重復(fù)使用性能無影響，發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束后無需進(jìn)行特殊處理。

液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)兼具液氫液氧和其他液氧烴發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，在重復(fù)使用性和使用維護(hù)性方面具有綜合性能好的特點(diǎn)，特別適合重復(fù)使用運(yùn)載器、無毒上面級、軌道推進(jìn)系統(tǒng)的使用要求，是未來航天運(yùn)載器理想的動(dòng)力裝置之一。

2 國外液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)研究情況

美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（United Launch Alliance, ULA）與藍(lán)色起源公司合作研制 250噸級 BE-4 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，作為宇宙神5火箭一級RD-180液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的替代方案和下一代部分重復(fù)使用火神運(yùn)載火箭主動(dòng)力的主要選擇之一[14]。目前，2017年5月發(fā)動(dòng)機(jī)開展了渦輪泵聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，10月完成首次全系統(tǒng)點(diǎn)火測試。BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)模裝外形如圖3所示。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)為智慧水務(wù)戰(zhàn)略提供了先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)，“水十條”、《水污染防治法》等國家法律法規(guī)也為水務(wù)公司轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了重要的推動(dòng)力。但是也面臨著傳統(tǒng)機(jī)械水表更換為智能水表的巨額費(fèi)用、智慧水務(wù)需要持續(xù)性資金投入、農(nóng)村供水管道管網(wǎng)改造困難、企業(yè)管理人員思維方式轉(zhuǎn)換等方面的現(xiàn)實(shí)困難，而且國內(nèi)在智慧水務(wù)戰(zhàn)略實(shí)施中尚未出現(xiàn)具有開創(chuàng)性的真正符合水務(wù)企業(yè)實(shí)際情況和實(shí)際管理需要的智慧水務(wù)整體解決方案和管控平臺，因此，智慧水務(wù)戰(zhàn)略的規(guī)劃設(shè)計(jì)與實(shí)施需要持續(xù)性的探索與研究，水務(wù)公司也將在智慧水務(wù)探索中獲得更多的管理水平提升和轉(zhuǎn)型發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。

圖3 美國250噸級BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.3 250-ton BE-4 LOX/methane Engine of USA

俄羅斯開展了基于模塊化設(shè)計(jì)的新一代聯(lián)盟-5系列運(yùn)載火箭，計(jì)劃替代現(xiàn)有的聯(lián)盟號系列運(yùn)載火箭和質(zhì)子號運(yùn)載火箭。聯(lián)盟-5系列運(yùn)載火箭模裝如圖4所示。聯(lián)盟-5系列運(yùn)載火箭將采用200噸級的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī) RD-0162作為主動(dòng)力，同時(shí)也可以作為未來升力式重復(fù)使用火箭助推器動(dòng)力[15]。俄羅斯認(rèn)為，作為未來推進(jìn)技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)可以為未來重型、超重型以及低成本可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的研制鋪平道路，在傳統(tǒng)火箭和下一代可重復(fù)使用助推器之間建立了連通的橋梁。

歐洲明確提出了將液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)用于未來可重復(fù)使用運(yùn)載器和升級一次性運(yùn)載火箭的發(fā)展設(shè)想，開展了200噸級液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)伏爾加（Volga）的研究，作為未來可重復(fù)使用運(yùn)載火箭一級動(dòng)力[16]。Volga液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)模裝外形如圖 5所示。同時(shí)，歐洲未來運(yùn)載器準(zhǔn)備計(jì)劃（Future Launcher Preparatory Programme，F(xiàn)LPP）中未來的 3種火箭方案均考慮了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，分別是采用200噸級Volga發(fā)動(dòng)機(jī)的兩級重復(fù)使用火箭，采用 400噸級MX-4000發(fā)動(dòng)機(jī)的一次性使用運(yùn)載火箭，以及采用400噸級SE-12發(fā)動(dòng)機(jī)的部分重復(fù)使用運(yùn)載火箭。

圖5 歐洲200噸級Volga液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.5 200-ton Volga LOX/methane Engine of Europe

隨著更加快速、高效、低成本進(jìn)出空間的需求，由于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)以其高可靠、使用維護(hù)便捷、適于多次重復(fù)使用的綜合優(yōu)勢，國外已將其作為低成本重復(fù)使用運(yùn)載器的主要?jiǎng)恿Πl(fā)展方向之一，廣泛開展了發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究，并提出明確的型號發(fā)展與應(yīng)用方向。

3 中國液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)

中國利用50噸級氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)和研究平臺，開展了60噸級液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，完成了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)集成演示驗(yàn)證試驗(yàn)，推力規(guī)模和試驗(yàn)參數(shù)為目前國際最高水平，開辟了中國碳?xì)淙剂匣鸺l(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的新方向[17,18]。

以重復(fù)使用飛行器為應(yīng)用背景，進(jìn)一步開展了重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究，突破了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、傳熱、啟動(dòng)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、核心組件重復(fù)使用等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研制了一臺60噸級液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用性能樣機(jī)，2016年，60噸級液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)先后進(jìn)行了13次、試驗(yàn)時(shí)間累積2103 s，其中10次為200 s的長程試驗(yàn)考核，驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)核心組件與發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù)，體現(xiàn)了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)在重復(fù)使用領(lǐng)域的能力和優(yōu)勢。60噸級液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)熱試過程如圖6所示。

小推力液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，針對未來高性能、重復(fù)使用、低成本上面級動(dòng)力裝置的需求，開展了 3噸級和8噸級高性能上面級液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，為中國后續(xù)開展載人登月、深空探測、多星軌道布署等空間活動(dòng)提供優(yōu)選的技術(shù)途徑。

圖6 中國60噸級液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)熱試Fig.6 Chinese 60-ton LOX/methane Hot-fire

目前，中國已基本突破了液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù)，初步形成液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)?zāi)芰?，成功研制了重?fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)性能樣機(jī)。甲烷和液氫同屬低溫推進(jìn)劑，特性相似，材料體系和加工工藝相近，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)與氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)“同料加工、同線生產(chǎn)、同臺試驗(yàn)”，產(chǎn)品互換性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)通用化，符合高可靠、低成本的發(fā)展趨勢。

4 后續(xù)重點(diǎn)研究內(nèi)容

相對于一次性運(yùn)載器用動(dòng)力裝置，重復(fù)使用運(yùn)載器對動(dòng)力系統(tǒng)提出了更高的要求，在發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平、工作壽命、使用維護(hù)性方面還需要進(jìn)一步開展相關(guān)工作，才能滿足高效、重復(fù)使用技術(shù)要求。

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用維護(hù)技術(shù)

目前的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)仍以一次性使用發(fā)動(dòng)機(jī)為主，對發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用的檢測與維護(hù)技術(shù)涉及較少，技術(shù)成熟度較低。液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用維護(hù)技術(shù)研究分為：a）將檢測、維護(hù)便捷作為發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則之一，注重組件模塊化、通用化與互換性，保證發(fā)動(dòng)機(jī)可檢測性、維修可達(dá)性良好；b）在研制過程中，充分借鑒低溫氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的和航空發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用維護(hù)檢測經(jīng)驗(yàn)，開展發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)重復(fù)使用維護(hù)技術(shù)研究，形成適用于液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)方法、流程、準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 故障監(jiān)控技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期的健康狀態(tài)管理，開展發(fā)動(dòng)機(jī)健康檢測與故障診斷系統(tǒng)研究。系統(tǒng)分為機(jī)載和地面兩個(gè)部分，分別完成不同階段和不同功能重點(diǎn)的管理任務(wù)：機(jī)載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單的、實(shí)時(shí)性高的在線自主健康管理，滿足故障檢測、識別、定位、評估、隔離與處理；地面系統(tǒng)充分發(fā)揮資源優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)全面的、實(shí)時(shí)性要求不高的離線健康管理，實(shí)現(xiàn)壽命預(yù)測、維護(hù)保障策略、飛行數(shù)據(jù)記錄等。

4.3 大范圍推力調(diào)節(jié)及多次啟動(dòng)技術(shù)

推力調(diào)節(jié)是運(yùn)載器優(yōu)化飛行軌道、降低飛行過載的有效手段，同時(shí)也是增加發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性的重要措施。對于重復(fù)使用運(yùn)載器，飛回發(fā)射場過程中，需要為火箭提供返場動(dòng)力，或落地時(shí)作為反推發(fā)動(dòng)機(jī)，使運(yùn)載器安全著陸[19]。因此，重復(fù)使用火箭動(dòng)力必須具備較大范圍的推力調(diào)節(jié)能力，必須開展大范圍變推力下的組件適應(yīng)性及控制方案優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[20]。液氧甲烷屬于非自然推進(jìn)劑，多次重復(fù)啟動(dòng)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)可采用火炬點(diǎn)火、激光點(diǎn)火或諧振點(diǎn)火等具備多次重復(fù)使用能力的點(diǎn)火方式，需要對點(diǎn)火參數(shù)和方案進(jìn)行深入研究[21]。

4.4 適于重復(fù)使用的新材料、新工藝技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)材料和生產(chǎn)工藝，反映了結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和材料工藝水平的高低。為滿足運(yùn)載器對輕量化、低成本的技術(shù)要求，需開展發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)、一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、增材制造技術(shù)和三維快速成型技術(shù)等適用于重復(fù)使用的新材料/新工藝技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)低成本、重復(fù)使用的目標(biāo)。

4.5 重復(fù)使用設(shè)計(jì)與評估技術(shù)

目前，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的整體設(shè)計(jì)框架仍基于一次性使用液體火箭動(dòng)力，尚未完全建立起適用于重復(fù)使用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與評估的技術(shù)體系。后續(xù)需進(jìn)一步開展重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究與虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)研究，以及基于可靠性的定量設(shè)計(jì)與評估方法研究，建立相對完整的重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和評估體系。

4.6 百噸級大推力高性能發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

至2030年，中國航天發(fā)射整體仍呈大幅增漲趨勢。目前以60噸級液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)構(gòu)建的重復(fù)使用飛行器運(yùn)載能力有限，難以滿足未來大規(guī)模進(jìn)出空間、利用空間需求。針對后續(xù)大/中型重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展要求，有必要開展150～200噸級高性能液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)總體技術(shù)方案及關(guān)鍵技術(shù)預(yù)先研究，進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能水平。

5 結(jié)束語

液氧甲烷推進(jìn)劑來源廣泛、成本低、無毒環(huán)保、性能較高。液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)兼具液氫液氧和液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，具有重復(fù)使用性能好、使用維護(hù)方便等特點(diǎn)，綜合性能良好，更加適宜于重復(fù)使用、低成本運(yùn)載器的使用要求，是未來航天運(yùn)載器的理想液體動(dòng)力選擇之一。通過“十一五”、“十二五”的研究，中國已經(jīng)基本突破了重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，驗(yàn)證了60噸級液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用性能，開辟了中國碳?xì)淙剂匣鸺l(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的新方向，契合了世界重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研究方向。為支撐未來重大航天運(yùn)輸活動(dòng)對可重復(fù)、高可靠、低成本動(dòng)力系統(tǒng)的需求，持續(xù)開展并加強(qiáng)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)可重復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究，開展發(fā)動(dòng)機(jī)工程應(yīng)用研究，具有迫切需求和重大意義。